大型板類零件圓弧面銑削加工技術(shù)研究與應(yīng)用

李文杰 余小兵 李崇智 田靜 胡余平

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川 德陽(yáng) 618000)

非整圓的圓弧面結(jié)構(gòu)在機(jī)械零件中比較常見(jiàn)。外圓弧加工通常工藝方法是不連續(xù)的弧面圍繞工件工裝回轉(zhuǎn)中心，采用車削的方式加工，一方面解決單件加工難裝夾的難題，另一方面走刀一次可以加工多件產(chǎn)品[1]。內(nèi)圓弧加工通常工藝方法是工件不動(dòng)，刀具繞圓弧的回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)進(jìn)行鉆孔或鏜削加工。大型零件圓弧面車削加工需要有滿足工件回轉(zhuǎn)半徑的大型車床，結(jié)構(gòu)特殊的圓弧結(jié)構(gòu)零件還要制作復(fù)雜的裝卡工裝。外形尺寸大的特殊零件，通過(guò)工件回轉(zhuǎn)方式加工難度較大，特別是單件或小批量生產(chǎn)模式下，其加工制造成本很高。此外圓弧半徑測(cè)量較難，僅通過(guò)圓弧樣板來(lái)檢驗(yàn)，只能大致上觀測(cè)到圓弧面是否合格，并不能獲得準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)[2]。降低該類零件制造成本，控制圓弧面加工精度就成為該類零件加工面臨的問(wèn)題。

通過(guò)分析數(shù)控銑削圓弧半徑編程尺寸精度對(duì)形狀的影響，結(jié)果表明數(shù)控銑削圓弧程序精度不僅僅影響零件的尺寸加工精度，有時(shí)還會(huì)影響到零件形狀[3]。分析不同方式的插補(bǔ)后加減速控制對(duì)加工精度影響，結(jié)果表明圓弧走刀路徑按指數(shù)函數(shù)插補(bǔ)方式進(jìn)行，插補(bǔ)后加減速的控制方式指令軌跡與實(shí)際軌跡有較大偏離，而直線型插補(bǔ)后加減速的控制方式指令軌跡與實(shí)際軌跡基本重合[4]。

基于上述現(xiàn)狀開(kāi)展大型板類零件圓弧面銑削加工研究，從加工原理、程序設(shè)計(jì)、機(jī)床精度、誤差分析等方面進(jìn)行剖析，研究該類零件圓弧面加工技術(shù)及應(yīng)用。以解決該類零件單件加工模式下，加工周期長(zhǎng)、制造成本高、精度控制難的問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 結(jié)構(gòu)特征

大型板類零件為薄板類結(jié)構(gòu)，寬度兩側(cè)為同心外圓弧面，長(zhǎng)度方向有內(nèi)圓弧面，見(jiàn)圖1。該類零件常用于液壓機(jī)支承部位。內(nèi)圓弧面、外圓弧面與相關(guān)零件有較高的配合精度。

圖1 大型弧面板結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of large arc surface plate

1.2 精度指標(biāo)

圖2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 2 Structure diagram

2 工藝分析

2.1 內(nèi)圓弧工藝方案分析

內(nèi)圓弧面加工方案有兩種方案：鏜削加工方案、銑削加工方案。

內(nèi)圓弧銑削加工是在數(shù)控機(jī)床上采用帶R的銑刀盤。R刀具加工輪廓表面，有利于降低粗糙度值。但刀具結(jié)構(gòu)受圓弧面空間限制，加工中須避免刀具與工件干涉。圓弧銑削對(duì)刀具的精度要求高。銑削的輪廓精度控制難度大。

2.2 外圓弧工藝方案分析

外圓弧面加工方案有兩種：車削加工方案、銑削加工方案。

外圓弧車削加工方案是工件繞圓弧的回轉(zhuǎn)中心回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行車削加工。但該類型零件的回轉(zhuǎn)半徑較大，回轉(zhuǎn)中心不在工件本體，車削加工需要滿足回轉(zhuǎn)半徑的大型車床，并且還要制作復(fù)雜的工裝，見(jiàn)圖3。車削用工裝兩端要有車削工藝卡頭，卡頭上設(shè)置中心孔，中心孔與工件圓弧回轉(zhuǎn)中心重合，工裝與工件厚度端面定位，工裝根據(jù)工件重量分布進(jìn)行配重設(shè)置，保證車削加工平衡。這類工裝外形尺寸大，重量重，其制造成本往往高于零件自身的價(jià)值。特別是單件生產(chǎn)模式下，車削工裝為一次性使用，工裝費(fèi)用投入較大，零件加工制造成本很高。

圖3 車削裝卡示意圖Figure 3 Schematic diagram of turning clamping

2.3 加工方案評(píng)估

根據(jù)內(nèi)圓弧面、外圓弧面工藝性，從加工難易程度、刀具要求、工裝要求、精度控制難易程度、檢驗(yàn)方法、機(jī)床選擇、周期、成本等方面對(duì)幾種加工方案進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

表1 幾種工藝方案的綜合比較Table 1 Comprehensive comparison of several technological schemes

綜合評(píng)估，內(nèi)外圓弧面采用銑削加工方案，制造周期短、制造成本更低，是合理的工藝方案。但銑削輪廓精度控制難度大，需要在精度控制方面進(jìn)行研究分析，并采取應(yīng)對(duì)措施。

3 銑削工藝方案

根據(jù)上述工藝分析，內(nèi)外圓弧面采用銑削方案加工。結(jié)合零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以內(nèi)外圓弧面三軸數(shù)控機(jī)床銑削加工為研究對(duì)象，通過(guò)研究數(shù)控走刀方式、刀具選擇、刀具切削殘留、精度控制、檢測(cè)方法等對(duì)加工精度的影響，探索最優(yōu)的工藝方案，解決該類結(jié)構(gòu)三軸數(shù)控機(jī)床銑削加工難題。

3.1 內(nèi)圓弧加工方案

(1)內(nèi)圓弧面粗加工余量設(shè)置

零件為板類件，其內(nèi)圓弧面為臺(tái)階面過(guò)渡部位，切削時(shí)零件容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，零件粗加工階段需要粗加工內(nèi)圓弧面，單邊留余量3 mm，進(jìn)行人工時(shí)效處理消除內(nèi)應(yīng)力。人工時(shí)效后進(jìn)行一次半精銑加工，單邊留余量1 mm。

(2)銑削程序設(shè)置

根據(jù)等殘留高度的自由曲面三軸數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃研究[6]，沿內(nèi)圓弧面的法矢方向?qū)⑶嫫靡粋€(gè)刀具半徑值，得到該曲面的偏距面，在偏距面上基于等殘留高度來(lái)規(guī)劃刀具軌跡，見(jiàn)圖4。通過(guò)數(shù)控程序圓周分度密化輪廓曲面。選用數(shù)控龍門銑鏜床，機(jī)床為X、Y、Z三軸聯(lián)動(dòng)。避免機(jī)床圓弧插補(bǔ)，有利于保持較好機(jī)床加工狀態(tài)和插補(bǔ)精度。機(jī)床三個(gè)軸的循環(huán)運(yùn)動(dòng)次序?yàn)椋篩軸直線插補(bǔ)走刀1677 mm→X軸和Z軸聯(lián)動(dòng)一個(gè)步距角θ插補(bǔ)→Y軸直線插補(bǔ)走刀1677 mm。

圖4 內(nèi)圓弧銑削加工示意圖Figure 4 Schematic diagram of milling of inner arc surface

(3)刀具選擇

選擇R刀具加工輪廓表面，有利于降低粗糙度值。但刀具結(jié)構(gòu)受圓弧面空間限制，加工中須避免刀具與工件干涉，選用圓刀片平面銑刀盤是加工該結(jié)構(gòu)的有效刀具。

(4)消除刀具誤差有利于提高加工面的精度

根據(jù)刀具的結(jié)構(gòu)，刀具制造精度和每個(gè)刀齒的安裝精度具有一定的誤差，見(jiàn)圖5。該誤差為刀具制造安裝誤差無(wú)法消除，這種刀具誤差對(duì)加工圓弧的形狀精度誤差成倍放大。可通過(guò)測(cè)量每個(gè)刀齒在圓周上軸向跳動(dòng)、徑向跳動(dòng)判定刀具精度情況。當(dāng)跳動(dòng)值>0.01 mm，圓弧面銑削精度將無(wú)法滿足尺寸精度要求。為消除這種誤差，刀盤上只保留一個(gè)刀片，其余刀片全部拆除，加工時(shí)始終是一個(gè)刀片加工圓弧，從而消除刀具誤差的影響。

圖5 刀具誤差檢測(cè)示意圖Figure 5 Schematic diagram of cutter error inspection

(5)計(jì)算數(shù)控程序段間的相鄰步距角產(chǎn)生刀具加工殘留

加工完的輪廓在相鄰的步距角間會(huì)產(chǎn)生加工殘留高度，如圖4所示。刀具殘留的高度直接影響加工表面粗糙度值，步距角越小，刀具殘留值也隨之變小，但走刀次數(shù)將增加，加工周期長(zhǎng)，加工成本上升。因此保證表面粗糙度前提下，應(yīng)選擇較大的步距角。數(shù)控程序步距角的選擇根據(jù)刀片直徑、圓弧面半徑R40H8確定。選?10 mm圓刀片，不同的步距角角度，精確計(jì)算其加工殘留高度值，結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，步距角取值0.3°時(shí)，殘留高度Ra0.8 μm，低于最終表面粗糙度Ra1.6 μm，可以滿足加工需要。

表2 步距角對(duì)殘留高度的影響結(jié)果Table 2 Effect of step angle on residual height

加工過(guò)程中尺寸測(cè)量及控制。內(nèi)圓弧面圓心角為127°的小半圓結(jié)構(gòu)，圓弧半徑尺寸無(wú)法直接測(cè)量，粗加工階段，在圓弧長(zhǎng)度方向留50 mm的工藝料頭，使內(nèi)圓弧圓心角大于180°，便于內(nèi)徑千分尺測(cè)量圓弧直徑，見(jiàn)圖6。精銑內(nèi)圓弧面前，先在工藝料頭段進(jìn)行試加工，走程序半精加工內(nèi)圓弧槽，使用內(nèi)徑千分尺測(cè)量?jī)?nèi)圓弧面直徑尺寸，確定精確的加工余量值，去除工藝料頭后修改程序參數(shù)再精加工。精加工后，最終檢驗(yàn)通過(guò)制作弧形樣板、激光跟蹤儀檢測(cè)形狀和尺寸精度。

圖6 內(nèi)圓弧面尺寸測(cè)量Figure 6 Dimensional measurement of inner arc surface

3.2 外圓弧加工方案

(1)外圓弧面粗加工余量設(shè)置

零件為板類件，精加工避免工件內(nèi)應(yīng)力的影響，零件粗加工外圓弧面留余量3 mm，進(jìn)行人工時(shí)效處理消除內(nèi)應(yīng)力。人工時(shí)效后進(jìn)行半精銑和精銑加工。

(2)銑削程序和刀具軌跡設(shè)置

以三軸機(jī)床加工為研究對(duì)象，采用銑削加工方式完成外圓弧面精加工，見(jiàn)圖7。銑削加工是通過(guò)數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)銑削圓弧面，外圓弧面刀具軌跡有圓弧插補(bǔ)、直線插補(bǔ)兩種方式，見(jiàn)圖8。圓弧插補(bǔ)走刀方式加工精度受到機(jī)床摩擦力、反向間隙、機(jī)床增益、切削運(yùn)動(dòng)加速度等影響，并且隨著加工圓弧尺寸增大，圓柱度誤差隨之增大。直線插補(bǔ)走刀方式加工可以減少機(jī)床插補(bǔ)次數(shù)，有利于保持較好機(jī)床加工狀態(tài)和插補(bǔ)精度。機(jī)床三個(gè)軸的循環(huán)運(yùn)動(dòng)次序?yàn)椋篨軸直線插補(bǔ)走刀5300 mm→Y軸和Z軸聯(lián)動(dòng)一個(gè)步距角θ插補(bǔ)→X軸直線插補(bǔ)走刀5300 mm。

圖7 外圓弧三種銑削示意圖Figure 7 Schematic diagram of three kinds of milling of outer arc surface

(3)刀具選擇

選擇R刀具加工輪廓表面，有利于降低粗糙度值。該圓弧面加工可采用的刀具有球頭銑刀、圓刀片面銑刀、圓刀片銑刀盤等，刀具R半徑越大，刀具切削殘留量越小。圖6所示的三種刀具加工原理相同，但球頭銑刀對(duì)機(jī)床轉(zhuǎn)速要求更高。綜合比較圓刀片面銑刀的剛性好，轉(zhuǎn)速需求容易滿足。

(a)圓弧插補(bǔ)(G2/G3)刀具軌跡

(4)刀具及切削用量的選擇

(5)計(jì)算數(shù)控程序段間的相鄰步距角產(chǎn)生刀具加工殘留

表3 步距角對(duì)殘留高度的影響結(jié)果Table 3 Effect of step angle on residual height

(6)刀具精度對(duì)加工表面精度的影響

圓弧的圓心角較小，根據(jù)模擬計(jì)算，刀具刀齒軸向跳動(dòng)誤差對(duì)圓弧面的影響可以忽略。但刀具刀齒徑向跳動(dòng)誤差直接影響圓弧面的表面粗糙度和尺寸誤差，如圖9所示。由此可見(jiàn)刀齒徑向跳動(dòng)誤差不但對(duì)微觀表面粗糙度產(chǎn)生較大影響，而且對(duì)尺寸精度產(chǎn)生影響。因此控制刀具精度是保證加工表面精度的關(guān)鍵因數(shù)之一。加工前檢測(cè)刀盤上各刀齒的徑向跳動(dòng)值，保證徑向跳動(dòng)誤差<0.01 mm。當(dāng)?shù)毒哒`差無(wú)法消除時(shí)，通過(guò)減少刀盤齒數(shù)方式，保留一個(gè)刀片，從而完全消除這種誤差。加工時(shí)始終是一個(gè)刀片加工圓弧，從而達(dá)到理想的加工表面。

圖9 刀齒徑向跳動(dòng)對(duì)加工表面的影響Figure 9 Influence of the radial runout of cutter tooth on the machined surface

(5)外圓弧位置精度控制

圖10 外圓弧面精度控制方案Figure 10 Accuracy control scheme of outer arc surface

6 方案實(shí)施

內(nèi)外圓弧面的加工技術(shù)應(yīng)用于某大型壓力機(jī)支承板的加工，工件材質(zhì)30Cr2Ni2MoV，Rm≥1070 MPa。加工設(shè)備選用XK2125×80大型數(shù)控龍門銑鏜床，機(jī)床為X、Y、Z三軸聯(lián)動(dòng)，機(jī)床允許轉(zhuǎn)速800 r/min。

內(nèi)圓弧面R40H8加工選用某圓刀片平面銑刀，刀具直徑?160 mm，刀片半徑R6。實(shí)測(cè)刀盤各刀齒軸向跳動(dòng)、徑向跳動(dòng)誤差為0.01～0.03 mm，無(wú)法滿足加工刀具精度的要求。實(shí)際加工中保留一個(gè)刀片，其余刀片拆除，將刀具軸向和徑向誤差消除為0。相鄰刀軌步距角取值0.3°，切削用量ap=0.1 mm，vc=120 m/min，fz=0.08 mm。

采用上述工藝方案，在XK2125×80數(shù)控龍門銑鏜床完成了板類件內(nèi)圓弧面、外圓弧面的高精度銑削加工，加工后用對(duì)比塊檢查粗糙度，用樣板檢測(cè)圓弧面形狀，用激光跟蹤儀在圓弧測(cè)量若干點(diǎn)，找出圓弧最佳圓心坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算得出圓弧半徑、輪廓度、形狀精度[7]。尺寸、粗糙度、圓柱度檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 圓弧面檢驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Inspection data of arc surface

7 結(jié)論

(1)三軸數(shù)控機(jī)床圓弧銑削采用程序步距角密化加工方式，其加工精度優(yōu)于圓弧插補(bǔ)加工精度。

(2)圓弧輪廓銑削刀具精度對(duì)圓弧面的尺寸精度、粗糙度影響很大。通過(guò)減少刀片數(shù)量，能夠消除刀具誤差，提高圓弧面的加工精度。

(3)數(shù)控程序圓周方向分度密化，減小步距角有利于減小刀具切削殘留高度，提高圓弧表面加工質(zhì)量。

(4)圓弧面加工過(guò)程的檢測(cè)和余量計(jì)算是保證圓弧面精度的重要輔助手段。